梁放，宋學(xué)，肖穎，張雪娟，郭偉，盧志堂

（合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

巖石作為一種天然的非均質(zhì)材料，其內(nèi)部含有許多孔洞、裂隙等缺陷。巖石材料內(nèi)部缺陷類型、幾何分布等對(duì)其力學(xué)特性有重要影響[1-3]。近年來，研究人員對(duì)含缺陷巖石的強(qiáng)度、變形特性及其破裂演化規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究，取得了可喜的成果。伍天華等[4]采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，并結(jié)合PFC2D構(gòu)建了含孔-隙的類巖石試樣，研究了巖石孔-隙相互作用機(jī)制。趙程等[5]分析了單軸壓縮下含裂隙巖石裂紋擴(kuò)展及其損傷演化特性。牛亮等[6]對(duì)含天然微裂隙巖石進(jìn)行了單軸壓縮、劈裂試驗(yàn)，利用SEM研究了含微裂隙巖石的劈裂力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)。袁媛等[7]對(duì)含充填裂隙大理石進(jìn)行研究，分析了裂紋起裂、擴(kuò)展及貫通的特征。徐麗海等[8]利用DIC技術(shù)對(duì)類巖石材料進(jìn)行單軸壓縮，研究了裂紋擴(kuò)展及巖體細(xì)觀損傷演化過程。

由上可知，已有研究多關(guān)注單一裂隙或孔洞對(duì)巖石力學(xué)性能影響。然而，巖石中存在多種類型缺陷，缺陷相互作用及對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律有待研究。為此，文章對(duì)含缺陷（裂隙和孔洞）的類巖石材料（石膏）進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并利用邊緣檢測(cè)追蹤裂紋擴(kuò)展路徑，探究孔洞和裂隙相互作用及對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試樣制備

采用速凝石膏制成試樣，其中石膏粉與水質(zhì)量比為1∶0.35，該石膏的物理力學(xué)參數(shù)見表1所列。試樣尺寸為100 mm×40 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×高）。所用模具和及含缺陷試樣見圖1所示。在模具預(yù)定位置嵌入鐵片和圓柱筒，待石膏初凝后拔出，就可以形成貫穿試樣的預(yù)制裂隙和圓孔。其中鐵片長(zhǎng)度為14 mm、厚度為0.1 mm；圓筒直徑為12 mm。裂紋傾角θ分別為 15°、45°、75°。

石膏物理力學(xué)參數(shù)

1.2 主要步驟

①架設(shè)高清攝像機(jī)，對(duì)壓縮作用下試樣的變形破裂全過程進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集；

②開啟壓力機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，控制加載速率為10 N/s，直至試樣破壞；

③利用Free Video to JPG Converter軟件將視頻文件進(jìn)行處理，提取有代表性的圖片，分析裂紋擴(kuò)展特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含孔洞試樣

圖2給出了含單一孔洞試樣的破裂形態(tài)及素描圖?？梢钥闯?，試樣經(jīng)單軸壓縮后，其孔洞中心上下部位附近各自擴(kuò)展出兩條拉伸裂紋。整體上來看，兩條拉伸裂紋均近似沿著加載方向擴(kuò)展到試樣上下端部。

2.2 含孔洞和裂隙試樣

為便于追蹤裂紋擴(kuò)展路徑，將制備的試樣涂黑，而加載后形成的裂紋區(qū)域?yàn)榘咨?，這樣可以保證裂紋清晰可辨，見圖3a所示（以θ=75°為例）。將該照片經(jīng)過羅伯茨交叉邊緣檢測(cè)處理，可以準(zhǔn)確識(shí)別裂紋位置，見圖3b所示。從圖中可以看出，邊緣檢測(cè)處理后的圖片，其裂紋分布與照片相吻合，這表明文章采用的處理方法能夠準(zhǔn)確追蹤裂紋擴(kuò)展路徑。下面將根據(jù)邊緣檢測(cè)結(jié)果，分析傾角對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

圖2 試樣破壞形態(tài)和素描圖

圖4展示了含不同角度預(yù)置裂隙試樣裂紋擴(kuò)展過程。θ=15°時(shí)（圖4a），裂紋先出現(xiàn)于試樣裂隙下端，隨加載進(jìn)行，原有裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，向下傳播至試樣底端，孔洞上下端并未明顯開裂，僅在左上方有局部開裂。θ=45°時(shí)（圖4b），裂紋先出現(xiàn)于試樣孔洞左側(cè)，為剝落裂紋，然后孔洞左上方產(chǎn)生局部開裂，孔洞下端產(chǎn)生狹長(zhǎng)裂紋，并向試樣底部擴(kuò)展。θ=75°時(shí)（圖4c），孔洞邊緣下側(cè)出現(xiàn)裂紋，隨加載進(jìn)行，原有裂紋沿加載方向朝試樣下端部擴(kuò)展，同時(shí)裂紋上端也出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋，并向頂端傳播。綜上所述，當(dāng)預(yù)置裂隙角度較小時(shí)（θ=15°），裂隙主導(dǎo)內(nèi)部裂紋開裂過程，孔洞對(duì)巖石破裂影響較小。當(dāng)θ≥45°時(shí)，孔洞主導(dǎo)內(nèi)部裂紋開裂過程，擴(kuò)展裂紋最終沿著加載方向擴(kuò)展到試樣端部。這表明試樣的起裂形態(tài)、裂紋搭接過程及其最終破壞形式等則與預(yù)置裂隙的傾角密切相關(guān)。

3 結(jié)論

單軸壓縮時(shí)，只含孔洞的試樣裂紋擴(kuò)展方向與加載方向一致，裂紋由拉應(yīng)力引起。而對(duì)于含裂隙與孔洞的試樣，試樣預(yù)置裂隙角度對(duì)裂紋的擴(kuò)展路徑有重要影響，當(dāng)傾角為15°時(shí)，內(nèi)部裂紋開裂過程受裂隙主導(dǎo)，當(dāng)θ≥45°時(shí)，擴(kuò)展裂紋主要從孔洞下端出現(xiàn)，并傳播到試樣端部。

圖3 邊緣檢測(cè)處理前后圖對(duì)比

圖4 含不同角度預(yù)置裂隙試樣裂紋擴(kuò)展過程